CN110476089B - 光学输出系统和包括该系统的照明单元 - Google Patents

光学输出系统和包括该系统的照明单元 Download PDF

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Abstract

一种用于LED光源的光学输出系统，具有一对透镜阵列（40、42），在透镜阵列（40、42）之间具有窄气隙（48）。光学系统为光混合提供光学集成功能，并且气隙（48）使得即使对于来自宽角度范围的入射光，例如如从非准直光源接收的入射光，也能够提供均匀的宽束输出。

Description

光学输出系统和包括该系统的照明单元
技术领域
本发明涉及一种光学输出系统，例如用于处理LED光源的输出。
背景技术
LED照明器是公知的，其中(一个或多个LED中的)LED光源被提供在外壳内部，并且光输出面板被提供在照明器内部的光源的前面。
已知的是，为光输出面板提供轮廓的表面，以便防止透射光在不期望方向上辐射。光输出面板例如是塑料板或任何其他材料（诸如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或聚碳酸酯（PC））的板。
面板的目的是确保透射光从面板在期望方向上辐射。此外，面板可以用于提供颜色混合并且减少由光源引起的图像伪影。
一种用于提供颜色混合的方案是利用小透镜阵列，例如两个小透镜阵列的堆叠。一种特定方案是利用所谓的科勒积分，如例如在Dross, O. “颜色混合准直器中的科勒积分” Proc. Of SPIE卷9571 957109, 2015中描述的。
科勒积分是强大的概念，以从各种发射颜色的源阵列创建均匀的和颜色混合的束，或者从非均匀的单个源提供光混合。
科勒积分器的典型示例是如图1中描绘的线性小透镜阵列。积分器包括由聚合物（诸如具有1.5的折射率的PMMA）形成的透镜主体10。两个相对的表面各自具有对准的微透镜阵列，具有节距p、透镜半径R和距球面透镜中心的角度+/-α，如示出的。透镜是凸的，即，它们各自从透镜主体10的中部向外弯曲。在单个板的透镜之间存在凹口。组合的两个透镜板的总体厚度v是第一透镜阵列的透镜凹口和第二透镜阵列的透镜凹口之间的(垂直、最短)距离。
这种类型的积分器的特征在于角度ψ。当入射束具有最大角度ϕ时，当ϕ<ψ时，出射束的光在2ψ的角度范围内均匀分布。
窗格12中示出了用于准直光输入的积分器的功能。第一小透镜阵列聚焦到第二小透镜阵列的表面，并且从该表面发射广角束。
图1的底部部分示出了几何方程，以能够实现利用ψ的所需值构建线性小透镜阵列。该曲线图基于示出的方程示出了折射率如何影响透镜参数α和输出角ψ之间的关系。
图2作为左图示出了入射束的强度与角度图，该入射束具有50度的半峰全波(FWHM)(即，ϕ = 25度，并且所有光都被限制在该范围内)，并且示出了具有ψ=40度(使得FWHM = 80度)的小透镜表面的出射束的强度与角度图。
该线性科勒积分器的输入参数为:n=1.50(折射率)，R=0.5 mm和ψ=40度。α、v、p和x的计算值为:α=61.1度，v=0.665 mm，p=0.875 mm和x=0.258 mm。
图2示出了入射束的所有光都是分布的，并且因此在80度(2ψ)的角度范围内混合。
图3示出了输入光不限制于所需窄角度范围的情况。
图3作为左图示出了具有FWHM = 120度(即，ϕ = 60度)的入射束的强度与角度图，并且示出了具有ψ=40度的相同小透镜表面的出射束的强度与角度图。
如图3中示出的，当ϕ>ψ时，光从透镜阵列在所有方向上逸出。以＞ψ的角度逸出的光不混合，并且可以在目标表面(诸如地板或墙壁)上给出伪影(诸如由于减少的颜色混合所致的颜色伪影)。
这意味着光应当在其进入科勒小透镜板之前被准直，以避免这些伪影。因此，需要附加的光学器件，并且这给出了具有不期望的高体积/尺寸和高成本的光学系统。
因此，需要一种光学系统，其能够实现对于输出束角度的控制，具有良好的光混合，并且可以利用低成本和低重量的光学部件来实现它。
发明内容
本发明由权利要求限定。
根据依照本发明一方面的示例，提供了一种用于在光源位置处提供的LED光源的光学输出系统，包括:
第一阵列的透镜，包括面向光源位置的凸透镜；和
第二阵列的透镜，在第一阵列的透镜的与光源位置相对的侧，并且包括背向光源位置的凸透镜，
其中在第一和第二阵列的透镜之间存在气隙，其中气隙的厚度小于第一和第二阵列的透镜的外表面之间的最大厚度的10%。
优选地，第一和第二阵列的透镜的总体厚度等于或小于第二透镜阵列的透镜节距，这样一来因为串扰被进一步抵消或减少而获得了进一步改进的光学输出系统。可替换地或附加地，光学输出系统属性可以通过根据光学输出系统的期望质量来选择间隙的方位来调节。优选地，该间隙定位成以总体厚度的最多25%远离第一或第二透镜阵列。
该输出系统基本上起科勒积分器的作用，其中两个透镜阵列彼此背向。两个透镜阵列的透镜对准以形成透镜对。然而，气隙的提供意味着积分功能利用漫射光是可操作的，特别是在没有预准直的情况下，以使得能够形成低眩光宽束。气隙可以被认为起角度选择反射器的作用，该角度选择反射器为超过临界角的入射角提供全内反射功能。光学输出系统使得具有吸引人外观的均匀光学出射窗口能够被形成。
气隙是窄的以防止来自第一透镜阵列中的透镜的折射光束能够传递到不是成对透镜的第二透镜阵列中的透镜。气隙例如具有小于0.1 mm、例如小于0.05 mm、例如薄至0.01 mm的厚度。
第一和第二阵列的透镜的(凹口)表面之间的最大厚度v可以在0.3 mm和5 mm之间。这使得能够形成低成本和低重量的透镜系统。然而，该设计可以缩放到不同的尺寸。
每个透镜阵列的透镜例如以300 μm至5 mm之间的节距布置，例如对于微尺度系统为300 μm至500 μm，或者对于mm规模系统为0.8 mm至5 mm。
每个透镜阵列的透镜可以以六边形网格布置。第一和第二透镜阵列的透镜优选具有相同的透镜节距，以形成对准的透镜对。
第一阵列的透镜中的每个透镜的焦点优选在第二阵列的透镜的表面处或附近。这定义了常规的科勒配置。
气隙优选是平坦的。每个透镜阵列可以在一侧处具有形成气隙的一侧的平坦表面，并其在相对侧处具有纹理化透镜表面。这通常意味着两个透镜阵列是平坦的(即，透镜从公共平面突出)。然而，间隙可以与透镜阵列的公共(平坦)平面成锐角延伸，和/或外表面可以(向内/向外)弯曲，其中透镜不从公共平面突出，但仍然具有相互焦点。而且，如果照明系统的美学设计需要非平坦的光输出表面，则该系统可以是非平坦的。
气隙可以恰好在两个透镜阵列的中间，因为然后两个透镜阵列可以形成为相同的板，例如通过注射成型制成。然而，可替换地，气隙可以定位成更靠近第一和第二透镜阵列中的任一个。被定位成更靠近面向光源的第一透镜阵列（例如，以厚度v的至多25%远离第一透镜阵列）的间隙，具有下列优点：在两个透镜板由具有相互不同折射率的材料制成以获得期望的光学效果的情况下，该光学效果更显著，即，比在间隙被定位成更靠近第二透镜阵列的情况下更放大。另一方面，如果间隙被定位成更靠近第二透镜阵列，例如以厚度v的至少75%远离第一透镜阵列，则光学输出系统对间隙的/间隙中的变形(例如表面粗糙度或污染)不太敏感。
本发明还提供了一种照明单元，包括:
如上定义的光学输出系统；和
在光源位置处的光源。
光源例如包括LED或LED布置。光输出可以直接提供给光学输出系统，而没有任何中间准直器。该LED或每个LED例如具有朗伯光输出强度分布。板上芯片LED可以用于低成本实施。
照明单元可以例如具有80和100度之间的半峰全波输出角。这提供了宽角输出束，具有由透镜布置提供的良好的光混合。
照明单元可以包括具有反射侧壁和反射基部的外壳，其中光源被提供在基部上，并且光学输出系统被提供在侧壁的顶部上方。这定义了一种灯箱结构，其能够实现高效率光输出。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明的示例，在附图中:
图1示出了形成为线性小透镜阵列的科勒积分器的典型示例，以及说明入射角范围和出射角范围之间的关系的方程和曲线图；
图2示出了基于图1的设计的受限入射束和出射束的强度与角度图；
图3示出了在输入光不局限于所需窄角度范围情况下的图2的图；
图4示出了依照本发明的光学输出系统的示例；
图5示出了穿过图4的结构的光路径的一些示例；
图6示出了使用图5的光学输出系统的灯箱；
图7A-D示出了一种可能的小透镜设计；
图8示出了两个正交轴上的透镜节距，并示出了光学输出系统的透视图；
图9示出了系统的强度分布；
图10A-C示出了全光学窗口在各种视角下的亮度；以及
图11A-B示出了对于结构中不同的气隙方位和透镜材料的不同折射率对穿过结构的光线路径的影响。
具体实施方式
本发明提供了用于LED光源的光学输出系统，其具有一对透镜阵列，在透镜阵列之间具有窄气隙。光学系统为光混合提供光学积分功能，并且气隙使得即使对于来自宽角度范围的入射光，例如如从非准直光源接收的入射光，也能够提供均匀的宽束输出。
图4示出了输出系统的示例。
第一阵列40的透镜包括面向入射光，即面向光源位置的凸透镜42。第二阵列44的透镜在第一阵列的透镜与光源位置相对的侧，并且包括背向光源位置的凸透镜46。第一透镜阵列40具有限定透镜形状的外表面40a和平坦的内表面40b。第二透镜阵列44具有限定透镜形状的外表面44a和平坦的内表面44b。
两个透镜阵列被空气包围，并且在第一和第二阵列42、46之间、内表面40b、44b之间还存在气隙48。气隙的厚度dg小于第一和第二阵列42、46的透镜的外表面之间的最大厚度的10%。因此，对于示出参数，气隙宽度小于0.1(ν+2x)。
这两个透镜阵列起科勒积分器的作用，但是具有由气隙提供的改进的光学功能。两个透镜阵列的透镜因此被对准以形成透镜对。气隙是窄的，以防止来自第一透镜阵列中的透镜的折射光束能够传递到不是成对透镜的第二透镜阵列中的透镜。气隙例如具有小于0.1 mm、例如小于0.05 mm、例如薄至0.01 mm的厚度。
图4中示出了尺寸参数，其对应于图1中示出的那些参数。
气隙可以恰好在两个透镜阵列的中间。在这种情况下，两个透镜阵列可以形成为相同的板，例如通过注射成型制成。
光路径的一些示例在图5中示出。第一组光路径被示出为成垂直入射角(φ=0)的平行束，并且第二组光路径被示出为成大入射角(φ=65度)的平行束。
垂直入射光线容易穿过整个双层结构透射，具有超过90%的透射。具有大于约60度的角度的入射光线具有非常低的透射率，并且因此通过光线在气隙处的全内反射而具有高反射率。通过提供漫射散射，例如在灯箱设计的侧壁和基部处，可以在光学系统中回收（recycle）大角度。最终结果是束形状在大角度下具有非常有限的强度。该设计特别适合于宽束设计(FWHM在80至100度之间)。
因此，气隙意味着积分功能利用漫射光是可操作的，特别是在没有预准直的情况下，以使得能够形成低眩光宽束。该光学系统使得能够形成具有吸引人的外观的均匀光学出射窗口。
透镜阵列可以形成为线性结构。因此，虽然图5(和图6示出了)3D透镜阵列，但是透镜可以是2D的，这意味着它们是沿其长度具有恒定截面的挤出线性结构。然后，束成形或颜色混合仅在一个方向上，而3D结构能够控制所有方向上的束形状。
图6示出了简单的灯箱，其包括在中心处具有LED光源64的基部62、侧壁66和如上所述的形成光出射窗口的光学系统68。左侧示出了侧视图，并且右侧示出了俯视图。
基部和侧壁具有漫反射表面(例如白色)。灯箱可以仅包含单个LED，例如2 mm×2mm，具有朗伯发射轮廓。然而，可以使用一种颜色或多种颜色的LED阵列。LED光输出直接提供给光学输出系统68，而没有任何中间准直器。板上芯片LED可以用于低成本实施。
光出射窗口68的透镜是镶嵌的，并且为此目的，可以使用六边形小透镜来形成六边形网格。第一和第二透镜阵列的透镜优选具有相同的透镜节距以形成对准的透镜对，并且这意味着可以使用相同的透镜阵列。
图7示出了例如用于第一阵列的小透镜的一种可能的小透镜设计。图7A示出了第一侧视图(从一角度示出了一个完全打开的六边形面和两个其他面)，图7B示出了平面图，图7C示出了第二侧视图(示出了两个未完全打开的六边形面)，并且图7D示出了透视图。
每个透镜具有球面透镜表面(具有半径R)，其在平面图中被截断成六边形。
在该示例中，六边形的几何形状使用以下参数定义:n=1.50(折射率)，R=1.0 mm以及ψ=60度。这些参数用于计算α、v、p和x，给出以下结果:
α=75.5度
v=0.620 mm
p=1.936 mm
x=0.749 mm。
气隙宽度为0.01 mm。从这些数据得出结论，总体厚度v小于第一透镜阵列的小透镜的节距p。
图8示出了两个正交轴上的透镜节距，并示出了光学输出系统的透视图。
这些尺寸给出了一个示例实现方式的一般规模的示例。
更一般地，第一和第二阵列的透镜的最外表面之间的最大厚度(即，v+2x)可以在0.4 mm和5 mm之间。这使得能够形成低成本和低重量的透镜系统。然而，该设计可以缩放到不同的尺寸。
每个透镜阵列的透镜例如以300 μm至5 mm之间的节距(如图8中示出的)布置，例如对于微尺度系统为300 μm至500 μm，或者对于mm规模系统为0.8 mm至5 mm。也可以使用这两个子范围之间的任何尺寸范围。
光输出单元的总体面积例如在10cm2至1000cm2的范围内。
图9示出了系统的强度分布。在0度角度方向上(例如，对于布置在天花板处的灯箱竖直向下)存在峰值强度I0。对于大于约60度的视角，存在非常低的强度(与I0相比)。
图10示出了全光学窗口在各种视角下的亮度。
图10A示出了0度视角下的亮度，图10B示出了30度视角下的亮度，并且图10C示出了70度视角下的亮度。
规则的点图案是可见的，其给出了均匀表面光照的印象。
图11A-B示意性地示出了对于结构中不同的气隙48方位和透镜材料的不同折射率n1、n2、n3，对穿过包括第一透镜阵列40和第二透镜阵列44的结构的光线路径的影响。如示出的，未折射光线70进入具有折射率n1的第一透镜阵列40，并作为折射光线70a传播。在穿过气隙48之后，所述光线进入第二透镜阵列，并且根据第二透镜阵列的材料的折射率，比其被第一透镜阵列折射更多(即n2 >n1)、与其被第一透镜阵列折射相等(即n1=n1)或比其被第一透镜阵列折射更少(即n3<n1)地被折射。如示出的，射出第二透镜阵列的光线的偏移方位Δy的影响取决于气隙的方位(和所用材料的折射率)是明显的。在图11A中，在距第一透镜阵列40小于25%*v处，即，在约15%*v处，存在气隙，并且效果被增强。在图11B中，在距第一透镜阵列40大于75%*v处，即，在约85%*v处，存在气隙，并且光线路径对污染和/或气隙表面变形不太敏感。
光学输出系统的外部形状以及因此使用该系统的灯箱可以具有任何期望的形状。
照明系统例如是用于照亮办公室或其他房间的照明器，在这种情况下，它可以安装在天花板中的凹槽中，或者倚靠天花板的表面，或者从天花板悬挂。光学输出系统然后形成照明器的下侧，光通过该下侧从照明器中的光源辐射到办公室中。来自照明器的光不仅在竖直向下的方向上辐射，而且在与竖直方向围成一角度的方向上辐射，以形成期望的宽束。因此，照明器照射可以比照明器本身的尺寸大得多的区域。还提供了最大光照角度，以避免距离照明器的某种距离处的人感到不便。因此，多个照明器通常分布在天花板上方，每个照明器照射照明器下方的办公室的一部分，同时避免了与天花板表面围成小角度的光辐射。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (16)

1.一种用于在光源位置处提供的LED光源的光学输出系统，包括:
第一阵列(40)的透镜(42)，包括面向所述光源位置的凸透镜；和
第二阵列(44)的透镜(46)，在所述第一阵列的透镜与所述光源位置相对的侧，并且包括背向所述光源位置的凸透镜，
其中在所述第一和第二阵列的透镜之间存在气隙(48)，其中所述气隙的厚度(dg)小于所述第一和第二阵列(40、44)的透镜的外表面(40a、44a)之间的最大厚度的10%，并且
其中组合的第一和第二阵列的透镜的总体厚度(v)等于或小于所述第二阵列的透镜节距(p)，所述总体厚度是第一阵列的透镜凹口与第二透镜阵列的透镜凹口之间的垂直、最短距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述气隙(48)具有小于0.1 mm的厚度(dg)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述气隙(48)具有小于0.05 mm的厚度(dg)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一和第二阵列(40、44)的透镜的所述外表面(40a、44a)之间的所述最大厚度在1 mm和5 mm之间。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中每个阵列(40、44)的透镜中的所述透镜(42、46)以300 μm至5 mm之间的节距布置。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中每个阵列(40、44)的透镜中的所述透镜(42、46)以300 μm至500 μm之间或0.8 mm至5 mm之间的节距布置。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中每个阵列(40、44)的透镜中的所述透镜(42、46)以六边形网格布置。
8.根据前权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述第一和第二阵列的透镜中的所述透镜(42、46)具有相同的透镜节距。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述第一阵列(40)的透镜中的每个透镜的焦点在所述第二阵列(44)的透镜的所述外表面(44a)的附近。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述气隙(48)是平坦的。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述气隙(48)定位成以所述总体厚度（v）的最多25%远离所述第一透镜阵列(40)或所述第二透镜阵列(44)。
12.一种照明单元，包括:
根据前述权利要求中任一项所述的光学输出系统(66)；和
在所述光源位置处的光源(64)。
13.根据权利要求12所述的照明单元，其中所述光源(64)包括一LED、或多个LED的布置。
14.根据权利要求13所述的照明单元，其中所述LED、或多个LED的所述布置中的每个LED具有朗伯光输出强度分布。
15.根据权利要求13或14所述的照明单元，其中所述光源(64)包括板上芯片LED布置。
16.根据权利要求12至14中任一项所述的照明单元，包括具有反射侧壁(68)和反射基部(62)的外壳，其中所述光源(64)被提供在所述基部上，并且所述光学输出系统被提供在所述侧壁的顶部上方。
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